CN102981204B - 193nm熔石英光栅起偏器及其在光刻设备中的应用 - Google Patents
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Abstract
一种193nm熔石英光栅起偏器及其在光刻设备中的应用，该光栅式起偏器在熔石英薄片的表面上刻有一定图形的光栅，该光栅为亚波长周期、深刻蚀光栅，该光栅的线密度为5260~5400线/mm，深度为1.1~1.2μm，占空比为30%~40%。该熔石英光栅起偏器是直接在紫外可透的光学薄片上制作光栅，能够有效避免能量损耗，并提高光学元件的稳定性。加工工艺成熟，精度高，能有效降低起偏器的成本。采用熔石英光栅起偏器，获得的偏振光偏振纯度高。而且同多层膜式起偏器相比，光栅对光束的入射方向不敏感，机械对准精度要求低，容易实现。光栅起偏器的厚度小，占用空间少，可放置在光刻照明系统多个位置，位置选择更加灵活。
Description
技术领域
本发明涉及193nm光刻设备，特别是一种用于193nm浸没光刻设备产生所需偏振状态的193nm熔石英光栅起偏器及其在光刻设备中的应用。
背景技术
在193nm浸没光刻设备中，偏振照明已经成为提高光刻系统分辨率、增大焦深和改善光刻对比度不可缺少的光刻分辨率增强技术。采用偏振照明的主要目的是实现掩模板对照明光场产生的衍射光束在硅片上的干涉叠加光场的对比度增强。对于高数值孔径的浸没光刻设备，偏振照明显得尤为重要。
现阶段，193nm浸没光刻设备的照明光场的偏振状态主要包括X方向和Y方向的线偏振、切向偏振和径向偏振，通过特定的起偏器可实现这些偏振状态。由于能够透过193nm光源的材料有限，所以传统上使用的起偏器如格兰-汤姆逊棱镜、洛匈棱镜等都无法使用。在中国专利CN1645258A中叙述了采用镀有多层介质膜的光学片实现起偏。该方法由于可以选用的镀膜材料较少，无法实现较高透过率的膜层结构设计，所以能量利用效率不高。另外多层介质膜的偏振特性对光束的入射角非常敏感，入射角度稍有偏差，就会引起出射光束偏振度的改变。这两个因素限制了偏振膜层作为光刻系统起偏器的发展。
利用光栅作为起偏器的方法已经在可见光和红外波段被开发出来。中国专利CN 202230254U阐明了一种可见光波段下的偏振光栅，它包括多条相互间隔平行排列的透光和不透光部分。中国专利CN 102289013A提出了一种近红外波段的双脊金属线光栅偏振分束器。
在先技术“形成图形的光栅单元偏振器”（参见专利CN 1677141A）中，公开了一种用于光刻的形成图形的光栅偏振器，包括对紫外光透明的基片和在该基片上形成图形的光栅阵列，光栅阵列使紫外光偏振。该发明的基片和光栅阵列采用不同的材料，基片采用紫外可透材料，而光栅单元阵列为导电金属，如铝、银或金构成。当金属导线阵列与深紫外光相互作用时，金属中的自由电子会在光电场的诱导下振荡，电子与晶格原子之间发生碰撞，部分光能转化为碰撞产生的热能，因此透射光强有能量损耗，效率较低。另外，基片和光栅阵列材料的晶格不是完全匹配，所以构成的器件稳定性稍差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种193nm熔石英光栅起偏器及其在光刻设备中的应用，该光栅式起偏器直接在紫外可透的光学薄片上制作光栅，能够有效避免能量损耗，并提高光学元件的稳定性。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于光刻设备中调整193nm紫外光束偏振状态的熔石英光栅起偏器，其特点是在熔石英薄片的表面上刻有一定图形的光栅，该光栅为亚波长周期、深刻蚀光栅，该光栅的线密度为5260~5400线/mm，深度为1.1~1.2μm，占空比为30%~40%。
所述的光栅图形为线条形，以便紫外光束转换为线偏振光，线条排列方向是X方向或Y方向。
所述的光栅图形被分割为4、8或16个象限，每个象限中的光栅为线条形，方向平行于该象限的中心线，以便紫外光束转换为切向偏振光。
所述的光栅图形被分割为4、8或16个象限，每个象限中的光栅为线条形，方向垂直于该象限中心线，以便紫外光束转换为径向偏振光。
所述的光栅的线密度为5274线/mm，光栅深度为1.1μm，光栅的占空比为39%。
所述的熔石英光栅起偏器的厚度为1~2mm。
上述熔石英光栅起偏器在光刻照明系统中的应用方法，所述的光刻照明系统包含的单元依光束传播方向为：193nm光源、光束扩束和传递单元、光瞳整形单元、光束匀光单元、中继透镜、掩模板、投影物镜和硅片，其特点在于该方法是根据离轴照明的光强分布形式的需要，选择相应的熔石英光栅起偏器并将所述的熔石英光栅起偏器放置在所述的光瞳整形单元的光束出射端，在熔石英光栅起偏器后面放置挡光单元，遮挡除零级衍射光外的高级衍射光，仅允许零级衍射光通过。
与在先技术相比，本发明具有下列技术优点：
(1)本发明熔石英光栅起偏器，在熔石英基底上制作光栅，具有能量利用率高和器件稳定性好的特点。另外，利用现有光刻设备制作该光栅起偏器，加工工艺成熟，精度高，能有效降低起偏器的成本。
(2)本发明采用熔石英光栅起偏器，获得的偏振光偏振纯度高。而且同多层膜式起偏器相比，光栅对光束的入射方向不敏感，机械对准精度要求低，容易实现。光栅起偏器的厚度小，占用空间少，可放置在光刻照明系统多个位置，位置选择更加灵活。
附图说明
图1是本发明熔石英光栅起偏器的一个实施例的示意图，线条形熔石英光栅起偏器。
图2是本发明熔石英光栅起偏器的六个实施例的示意图，熔石英光栅起偏器。
图3是图2中实施例对应的偏振态分布。
图4是本发明熔石英光栅起偏器在一个光刻偏振照明系统的应用示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明熔石英光栅起偏器的一个实施例的示意图，线条形熔石英光栅起偏器101。光栅的特征尺寸包括线密度1/Λ为5260~5400线/mm，光栅深度d为1.1~1.2μm，占空比m为30%~40%。光栅起偏器的厚度为1mm。该光栅属于高密度深刻蚀光栅，其所采用的衍射理论，不能用简单的标量方法解释，而必须采用矢量衍射方程，即求解带边界条件的麦克斯韦方程组，这需要通过计算机编码进行数值求解。求解该方程所采用的耦合波算法已经被发表（参见M.G.Moharam etal.,J.Opt.Soc.Am.A.12,1077,1995）。
高密度深刻蚀光栅对于入射光束的偏振状态非常敏感。偏振方向平行于光栅方向的线偏振光被称为TE偏振光，简称为TE光，偏振方向垂直于光栅方向的线偏振光被称为TM偏振光，简称为TM光。本发明高密度深刻蚀光栅的设计思路是找出适合的光栅特征尺寸，使得TE和TM偏振光中，一个绝大部分通过，而另一个绝大部分被阻挡。绝大部分通过意味着零级衍射效率接近100%；而绝大部分被阻挡则意味着零级衍射效率接近于0%，这时光束被部分反射或形成高阶衍射光。这样设计出的光栅能够起到光束起偏的作用。设计过程通过计算机程序进行搜索，找出合适的特征尺寸。对于193nm的光源，计算发现对于光栅线密度1/Λ为5260~5400线/mm，光栅深度d为1.1~1.2μm，占空比m为30%~40%，对TE光的零级衍射效率<0.5%，而对TM光的零级衍射效率>98%。特别是当线密度1/Λ为5274线/mm，深度d为1.1μm，占空比m为39%时，对TM光的零级衍射效率接近99.9%，而对TE光的零级衍射效率为0.02%，两种偏振光的消光比达到5000:1，远高于光刻设备中对起偏器的要求，能够得到纯度较高的偏振光。另外，起偏器的能量利用效率也是另一个重要指标，要求大于95%。本发明熔石英光栅起偏器的能量利用效率等于TM光的零级衍射效率乘以基片的双面透过率，对于镀有增透膜的基片，双面透过率可以达到98%以上，所以总的能量利用效率接近98%，高于指标要求。
图1中列举的本发明熔石英光栅起偏器的实施例用于产生线偏振光，如果需要产生切向偏振和径向偏振光，可以将图1中的线偏振光栅进行图形拓展，具体的方法可以参见图2。图2是本发明熔石英光栅起偏器的六个实施例的示意图，其中101用于产生X方向的线偏振光，该偏振光的示意图如图3中201所示；图2中102用于产生4象限径向偏振光（图3中202）；图2中103用于产生4象限切向偏振光（图3中203）；图2中104用于产生Y方向的线偏振光（图3中204）；图2中105用于产生8象限径向偏振光（图3中205）；图2中106用于产生8象限切向偏振光（图3中206）。依次类推，通过增加象限的数目，并使每个象限中的光栅方向平行或垂直于该象限的中心线，就可以得到相应的切向或径向偏振光。
图4给出本发明熔石英光栅起偏器的一个光刻照明系统中应用实例。该光刻照明系统包含的单元依光束传播方向为：193nm光源301、光束扩束和传递单元302、光瞳整形单元303、熔石英光栅起偏器304、挡光单元305、光束匀光单元306、中继透镜307、掩模板308、投影物镜309和硅片310。工作原理为，193nm光源301发出的光束经过光束扩束和传递单元302后，照射在光瞳整形单元303上，得到光瞳面上所需的光强分布，实现离轴照明。本发明熔石英光栅起偏器304放置于303的光束出射端，根据离轴照明的光强分布形式更换相应的熔石英光栅起偏器，可以得到线偏振、切向偏振和径向偏振。在熔石英光栅起偏器304后面放置挡光单元305，遮挡除零级衍射光外的高级衍射光，仅允许零级衍射光通过。随后再经过光束匀光单元306匀光后，由中继透镜307转移到掩模板308上。投影物镜309将掩模板的图形成像到硅片310上。通过测量光刻效果找出适合掩模图形的光刻偏振状态。
与在先技术相比，本发明具有下列技术优点：
(1)本发明采用熔石英光栅起偏器，在熔石英基底上制作光栅，具有能量利用率高和器件稳定性好的特点。另外，利用现有光刻设备制作该光栅起偏器，加工工艺成熟，精度高，能有效降低起偏器的成本。
(2)本发明采用熔石英光栅起偏器，获得的偏振光偏振纯度高。而且同多层膜式起偏器相比，光栅对光束的入射方向不敏感，机械对准精度要求低，容易实现。光栅起偏器的厚度小，占用空间少，可放置在光刻照明系统多个位置，位置选择更加灵活。
Claims (7)
1.一种用于光刻设备中调整193nm紫外光束偏振状态的熔石英光栅起偏器，其特征是在熔石英薄片的表面上刻有一定图形的光栅，该光栅为亚波长周期、深刻蚀光栅，该光栅的线密度为5260~5400线/mm，深度为1.1~1.2μm，占空比为30%~40%。
2.根据权利要求1所述的熔石英光栅起偏器，其特征在于所述的光栅图形为线条形，以便紫外光束转换为线偏振光，线条排列方向是X方向或Y方向。
3.根据权利要求1所述的熔石英光栅起偏器，其特征在于所述的光栅图形被分割为4、8或16个象限，每个象限中的光栅为线条形，方向平行于该象限的中心线，以便紫外光束转换为切向偏振光。
4.根据权利要求1所述的熔石英光栅起偏器，其特征在于所述的光栅图形被分割为4、8或16个象限，每个象限中的光栅为线条形，方向垂直于该象限中心线，以便紫外光束转换为径向偏振光。
5.根据权利要求1所述的熔石英光栅起偏器，其特征在于所述的光栅的线密度为5274线/mm，光栅深度为1.1μm，光栅的占空比为39%。
6.根据权利要求1所述的熔石英光栅起偏器，其特征在于所述的熔石英光栅起偏器的厚度为1~2mm。
7.权利要求1所述的熔石英光栅起偏器光刻照明系统中的应用方法，所述的光刻照明系统包含的单元依光束传播方向为：193nm光源（301）、光束扩束和传递单元（302）、光瞳整形单元（303）、光束匀光单元（306）、中继透镜（307）、掩模板（308）、投影物镜（309）和硅片（310），其特征在于该方法是根据离轴照明的光强分布形式的需要，选择相应的熔石英光栅起偏器（304）并将所述的熔石英光栅起偏器（304）放置在所述的光瞳整形单元（303）的光束出射端，在熔石英光栅起偏器后面放置挡光单元（305），遮挡除零级衍射光外的高级衍射光，仅允许零级衍射光通过。
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